低碳氮比污水生物脫氮工藝條件優(yōu)化研究

低碳氮比污水生物脫氮工藝條件優(yōu)化研究

低碳氮比廢水生物脫氮過程中由于廢水自身有機(jī)質(zhì)的不足而降低脫氮效率。目前解決該問題的主要方法之一是外加部分碳源,如甲醇等。但由于添加的物質(zhì)往往成本較高,有些還有毒性,在實(shí)際生產(chǎn)中沒有被廣泛運(yùn)用。如何以最低的代價(jià)提高脫氮率是低碳氮比污水生物脫氮面臨的主要問題,尋找合適的外加碳源成為目前關(guān)注的熱點(diǎn)。城市污泥水解酸化過程及其產(chǎn)物的研究與應(yīng)用在污水、污泥處理與資源化領(lǐng)域已引起廣泛關(guān)注。污泥水解酸化可產(chǎn)生較多的溶解性有機(jī)物,包括高濃度的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs),VFAs中的乙酸和丙酸是增強(qiáng)生物脫氮的有利基質(zhì),擁有比甲醇和乙醇更高的反硝化速率。吳一平等以初沉污泥厭氧水解/酸化產(chǎn)物為反硝化的碳源研究脫氮速率,發(fā)現(xiàn)初沉污泥水解產(chǎn)物的脫氮速率分別為城市污水脫氮速率的3倍,是投加甲醇脫氮速率的1.33倍;高永青等研究了污泥酸化液用作A2/O系統(tǒng)的補(bǔ)充碳源時(shí)的反硝化速率和系統(tǒng)的脫氮除磷能力;Tong等利用回收氮磷后的剩余污泥水解酸化液作為外加碳源研究了SBR生物脫氮除磷性能,在酸化液流量與進(jìn)水流量之比為1∶35時(shí),TN和P的去除率分別為83.2%和92.9%,同時(shí)比較了出水COD中的主要成分;Zheng等研究了在低溶解氧條件下,外加污泥水解酸化液能夠提高SBR生物脫氮效果,TN去除率從61%上升至81%,但出水COD會(huì)有所上升,在54mg/L左右。國(guó)外大多數(shù)的研究中利用污水處理廠的初沉污泥水解發(fā)酵產(chǎn)酸,也有對(duì)初沉污泥與剩余污泥的混合污泥和高濃度污水的水解酸化研究。Elefsiniotis等研究初沉污泥厭氧消化產(chǎn)生的VFAs的反硝化速率,結(jié)果顯示揮發(fā)酸中的小分子物質(zhì)如甲酸、乙酸極易被反硝化菌利用,平均反硝化速率為0.0111gNO-x-N/(gVSS·d),VFAs比其他有機(jī)質(zhì)更適合作為碳源被微生物利用。Aravinthan等研究了不同的方法獲得的污泥水解酸化產(chǎn)物用于反硝化速率的對(duì)比實(shí)驗(yàn),在滅菌鍋條件下堿性水解酸化液的反硝化速率最高,不同的處理方法對(duì)水解酸化液生物降解性能有重要的影響。利用富含VFAs的水解酸化液作為碳源可以提高反硝化速率和總氮去除率,但若投加量控制不好也可能會(huì)引起二次污染,同時(shí)如何結(jié)合不同的工藝形式處理低碳比污水,達(dá)到較高的脫氮效果也值得進(jìn)一步研究。由于曝氣生物濾池集生物氧化過程和固液分離于一體,具有吸附、過濾的功能,并具有易于控制硝化反硝化過程等特點(diǎn),本文以剩余污泥水解酸化液為外加碳源,研究一體化曝氣生物濾池的生物脫氮性能,考察剩余污泥水解酸化液的性質(zhì)及投配條件、進(jìn)水污染物濃度以及工藝運(yùn)行參數(shù)等對(duì)低碳氮比污水生物脫氮性能的影響,為解決當(dāng)前低碳氮比生活污水生物脫氮中有機(jī)碳源不足的問題提供經(jīng)濟(jì)有效的途徑。1實(shí)驗(yàn)部分1.1nh+4-n,tp的表達(dá)低碳氮比污水取自南京市某污水處理廠初沉池出水,該污水的性質(zhì):COD為47.3～103.8mg/L,平均為54.4mg/L;NH+4-N為31.15～47.87mg/L,平均為35.26mg/L;TN為33.92～66.59mg/L,平均為51.80mg/L;NO-2-N<0.440mg/L;NO-3-N<0.570mg/L;TP為2.307～3.591mg/L;pH為7.38～8.16。1.2合成水解氧化酶液剩余污泥取自南京某污水處理廠,VSS/TSS為44%～50%,濃縮后含水率為95%～96%。利用攪拌罐反應(yīng)器采用5%～10%的投配率對(duì)該剩余污泥進(jìn)行室溫(20～30℃)堿性條件下(pH為8.0～9.0)水解酸化,獲得水解酸化液;所得水解酸化液在5000r/min下離心30min后取其上清液,用鹽酸調(diào)節(jié)pH至約5.0,再投加一定量的MgCl2或CaCl2溶液反應(yīng)沉淀后再次離心獲得上清液;然后用NaOH溶液調(diào)節(jié)離心后上清液pH至約11.0,在25℃左右的溫度下,以一定的氣液比吹脫上清液中的氨,吹出的氨用稀硫酸吸收。有關(guān)剩余污泥水解酸化過程污泥減量化與穩(wěn)定化的研究以及水解酸化液中資源回收過程的研究將另文論述。預(yù)處理后的水解酸化液性質(zhì)如表1所示。1.3濾池及流濾池實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,裝置主體為一個(gè)具有曝氣段與非曝氣段的一體化曝氣生物濾池(BAF)。BAF主體為有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑?60mm,總有效容積1.87L,濾料層高度為0.48m,濾床體積為1.36L,濾床內(nèi)裝有粒徑為?3～5mm的陶粒濾料。BAF設(shè)有曝氣區(qū)和非曝氣區(qū),5根穿孔曝氣管均勻分布在濾料層中,通過在不同位置曝氣管的曝氣控制曝氣與非曝氣區(qū),曝氣管之上為曝氣區(qū),曝氣管之下為非曝氣區(qū)。通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來控制進(jìn)氣量,濾池浸沒水層中設(shè)有回流管,以一定回流比回流。進(jìn)水采用上向流方式,污水由污水箱經(jīng)蠕動(dòng)泵計(jì)量,與回流液體混合后再與外加碳源一起進(jìn)入濾池,外加碳源與污水按一定的投配流量比分別通過蠕動(dòng)泵計(jì)量打入濾池。1.4運(yùn)行性能及反硝化性能BAF原用作生活污水的處理,在有污水浸沒的條件下停運(yùn)10個(gè)月后再啟動(dòng)運(yùn)行,考察在不外加碳源的情況下,BAF的再啟動(dòng)過程及條件;BAF再啟動(dòng)后,投配剩余污泥水解酸化液碳源,研究碳源的性質(zhì)及投配量對(duì)BAF生物脫氮效果的影響,調(diào)節(jié)進(jìn)水TN濃度、BAF曝氣段與非曝氣段比例以及氣水比等工藝運(yùn)行條件考察BAF的運(yùn)行性能。碳源性質(zhì)的研究在進(jìn)水TN濃度約為30mg/L、HRT為8h、氣水比15∶1、回流比2∶1及曝氣段與非曝氣段比例為4∶2的條件下進(jìn)行,主要考察水解酸化液中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的含量對(duì)BAF脫氮效果的影響,以選擇適宜的水解酸化液作為低碳氮比污水生物脫氮過程的外加碳源。通過調(diào)節(jié)外加水解酸化液碳源與污水投配的流量比分別為1∶100、1∶75和1∶50,比較BAF對(duì)于COD、NH+4-N和TN的去除效果,以確定合適的碳源投配量;在碳源與污水投配的流量比為1∶100時(shí),改變進(jìn)水TN濃度,從約為30mg/L調(diào)整至約為45mg/L,探討進(jìn)水TN濃度對(duì)于BAF生物脫氮效果的影響,同時(shí)考察曝氣段與非曝氣段比例從4∶2調(diào)整為3∶3后,BAF的反硝化性能變化;保持曝氣段與非曝氣段比例為3∶3,研究氣水比分別為15∶1和10∶1時(shí)的生物脫氮效果;綜合探討進(jìn)水TN濃度、氣水比以及曝氣段與非曝氣段比例等因素確定適宜的工藝參數(shù)。1.5tp、nh-n-n的測(cè)定采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD、NH+4-N、TN和TP:重鉻酸鉀法測(cè)定COD;過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測(cè)定TN;采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定TP、PO3?443--P;采用納氏試劑分光光度法測(cè)定NH+4-N。揮發(fā)性脂肪酸(VFAs,C1～C5脂肪酸)的測(cè)定方法同參考文獻(xiàn);利用DionexICS-90型離子色譜系統(tǒng)測(cè)定NO-3-N、NO-2-N;采用WTWOxi330i型溶氧儀測(cè)定DO;SartoriusPB-21型pH計(jì)測(cè)定pH。2結(jié)果與分析2.1baf運(yùn)行情況BAF原用作生活污水的處理,從2008年6月停止運(yùn)行,停運(yùn)期間反應(yīng)器一直處于污水浸沒的狀態(tài),從2009年3月重新啟動(dòng)運(yùn)行。再啟動(dòng)運(yùn)行條件:室溫(18～21℃)條件下不外加碳源且無回流運(yùn)行,HRT為12h,曝氣段與非曝氣段比例為4∶2,氣水比為20∶1。BAF運(yùn)行情況如圖2所示。由圖2可知,BAF再啟動(dòng)運(yùn)行后的前兩天,出水氨氮比較高,這是因?yàn)锽AF從停運(yùn)到再啟動(dòng),系統(tǒng)中的微生物還不適應(yīng);之后隨著BAF的運(yùn)行,出水氨氮濃度逐漸降低,去除率逐漸升高從約30%上升到約95%并趨于穩(wěn)定,說明BAF再啟動(dòng)后硝化菌適應(yīng)性強(qiáng)且迅速增殖,將大部分氨氮都轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮;由于污水本身的COD/TN很低,有機(jī)質(zhì)相當(dāng)匱乏,能被反硝化菌利用的就更少,因此TN去除情況較差,去除率平均為15%;BAF再啟動(dòng)過程COD去除率為50%左右,再啟動(dòng)后期BAF出水COD基本穩(wěn)定在30mg/L左右。從再啟動(dòng)過程氨氮、總氮和COD的變化情況來看,BAF的再啟動(dòng)過程順利完成。2.2充放電液及其它總氮去除活性在溫度為25±1℃、HRT為8h、曝氣段與非曝氣段比例為4∶2、氣水比15∶1和回流比2∶1的條件下,考察水解酸化液COD在8000mg/L左右時(shí),水解酸化液中VFAs的含量對(duì)生物脫氮效果的影響,表2是3個(gè)工況下的BAF運(yùn)行性能。從表2可以看出,在水解酸化液COD約為8000mg/L時(shí),BAF的脫氮效果隨VFAs及HAc的含量增大而提高。VFAs含量從3134.9mg/L上升至5251.4mg/L時(shí),ThODVFAs/COD和ThODHAc/COD也逐漸增大,分別從59.87%和27.35%上升至91.85%和41.18%,此時(shí)氨氮和TN的去除率分別從95.40%和61.46%上升到98.45%和70.20%,而BAF出水的COD均小于40mg/L。剩余污泥水解酸化過程產(chǎn)生大量的易生物利用的VFAs,而VFAs中的HAc能直接作為底物,極易被微生物利用。HAc/VFAs也反映了水解酸化液的性質(zhì),該比例越大,說明水解酸化液中可被生物利用的有機(jī)質(zhì)就越多,有利于提高反硝化速率和效率。從表2中發(fā)現(xiàn),TN的去除率隨揮發(fā)酸的增加而增大,其中主要的原因也是乙酸在其中占的比例增大。從表2中還發(fā)現(xiàn)乙酸占揮發(fā)酸的比例保持相對(duì)穩(wěn)定,在60%左右,揮發(fā)酸中的乙酸含量相對(duì)較高,且不受揮發(fā)酸總量的變化而變化,說明酸化液性質(zhì)比較穩(wěn)定。工況1和2的碳源投配的流量比為1∶75,工況3的碳源投配的流量比為1∶100。從表2中發(fā)現(xiàn)BAF在不同揮發(fā)酸含量的條件下氨氮去除效果都很好,在95%以上,不同的VFAs含量對(duì)氨氮去除效果的影響不大?？偟コ孰S著VFAs和HAc含量的增加而升高。外加水解酸化液作為碳源能提高總氮的去除率,跟乙酸在揮發(fā)性脂肪酸中占的比例有很大關(guān)系。由于工況3的碳源投配的流量比為1∶100,比工況1和2要低,同時(shí)隨外加碳源帶入系統(tǒng)中的氮相對(duì)較少,故工況3的總氮去除率相對(duì)較高,該碳源性質(zhì)及投配條件下已能達(dá)到較好的生物脫氮的效果。2.3碳源投配流量比對(duì)出水氨氮去除效果的影響進(jìn)水TN濃度約為30mg/L、HRT為8h、曝氣段與非曝氣段比例為4∶2、氣水比15∶1及回流比2∶1條件下,碳源與污水投配的流量比分別為1∶100、1∶75和1∶50時(shí)BAF的生物脫氮效果及進(jìn)出水COD的變化如圖3所示;進(jìn)水TN濃度約為45mg/L、HRT為8h、曝氣段與非曝氣段比例為3∶3、氣水比10∶1及回流比2∶1的條件下,碳源與污水投配的流量比分別為1∶100和1∶75時(shí),BAF的生物脫氮效果及進(jìn)出水COD的變化如圖4所示。從圖3和圖4可以看出,在進(jìn)水TN濃度分別約為30mg/L和45mg/L時(shí),幾種碳源投配比例情況下,氨氮去除率總體上在95%以上,BAF的硝化能力很好。只是在圖3中碳源投加流量比為1∶50時(shí)的前幾天,由于水解酸化液的投配量相對(duì)較高,使隨外加碳源進(jìn)入BAF的氨氮和有機(jī)氮負(fù)荷也相對(duì)增加,系統(tǒng)對(duì)高的氮負(fù)荷不適應(yīng),導(dǎo)致出水氨氮增加,去除率降低,而隨著BAF的運(yùn)行及系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)作用,氨氮去除率上升并趨于穩(wěn)定。圖3中在碳源投配流量比為1∶75時(shí),TN去除效果較好,TN去除率平均為68.35%。由于污水中的有機(jī)物很少,當(dāng)碳源投配流量比為1∶100時(shí),外加的水解酸化液雖補(bǔ)充了BAF中反硝化菌需要的有機(jī)碳源,但碳源量仍嫌不足,TN去除率維持在55%左右。投配比調(diào)為1∶50后,總體上出水硝酸鹽氮確實(shí)下降明顯,但在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后TN去除率和投配比1∶75時(shí)差不多,這主要是由于水解酸化液雖經(jīng)預(yù)處理,仍然存在一定量的氮,隨著碳源投配量的增加,進(jìn)入BAF的氮負(fù)荷增加,進(jìn)入BAF的有機(jī)碳源中易被利用的部分確已被用作生物反硝化過程,但由于系統(tǒng)硝化能力受到一定程度限制,使得BAF的TN去除效果并未顯著提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)中報(bào)道的碳源投配流量比并非越大越好的結(jié)論一致。在圖4中,在進(jìn)水TN濃度約為45mg/L時(shí),碳源投配的流量比分別為1∶75和1∶100時(shí)的TN去除率分別為71.80%和75.40%,去除率較圖3中同樣的碳源投配比時(shí)有所提高。這與兩種進(jìn)水TN濃度下BAF有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整有很大關(guān)系,與進(jìn)水TN約30mg/L時(shí)相比,進(jìn)水TN約為45mg/L時(shí),曝氣段與非曝氣段比例由4∶2調(diào)為3∶3,并且氣水比也由15∶1調(diào)為10∶1,促進(jìn)了BAF整體生物脫氮能力的提高。而在進(jìn)水TN約45mg/L的情況下,兩個(gè)碳源投配流量比1∶75和1∶100時(shí)的TN去除率差別不大可能與碳源投配流量比為1∶100時(shí),BAF進(jìn)水COD較高,污水自身提供了部分有機(jī)質(zhì),使得系統(tǒng)內(nèi)可被利用的碳源增多有關(guān)。由圖3可見,碳源投配流量比分別為1∶75和1∶100時(shí),BAF出水COD總體比進(jìn)水低,平均分別為22.9mg/L和24.6mg/L,而當(dāng)投配量為1∶50時(shí),出水COD明顯升高,平均為51.4mg/L,比進(jìn)水(COD平均為35.3mg/L)高得多,說明由于受到系統(tǒng)生物脫氮能力的限制,BAF未能充分利用好外加水解酸化液中的有機(jī)質(zhì),從而引起出水COD上升,既浪費(fèi)了外加的碳源,又影響了出水水質(zhì)。圖4中進(jìn)水COD相對(duì)較高,碳源投配流量比分別為1∶100和1∶75時(shí),出水COD平均分別為27.2mg/L和28.6mg/L。因此,投配適量的外加碳源是保證BAF生物脫氮效果,防止二次污染的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)中,在進(jìn)水TN約為30mg/L時(shí),適宜的水解酸化液投配流量比是1∶75,TN去除率可達(dá)68.35%;而在進(jìn)水TN約為45mg/L時(shí),調(diào)整部分運(yùn)行參數(shù)后,在水解酸化液投配流量比為1∶75的條件下,TN去除率可達(dá)75.40%,實(shí)現(xiàn)了在較高的TN進(jìn)水濃度時(shí)也能獲得較好的生物脫氮效果的目標(biāo)。2.4tn的去除效果在溫度為25±1℃,HRT為8h,曝氣段與非曝氣段比例為4∶2,氣水比15∶1,回流比2∶1,外加水解酸化液COD為8300.2mg/L,碳源投配流量比為1∶100的條件下,考察進(jìn)水TN濃度分別約為30mg/L和45mg/L時(shí),BAF的運(yùn)行性能,結(jié)果如表3所示。由表3可見,進(jìn)水TN平均濃度為31.09mg/L時(shí),TN去除率平均達(dá)到69.17%,在其他條件不變的情況下,將進(jìn)水TN平均濃度調(diào)整為47.70mg/L時(shí),出水TN濃度明顯升高,TN去除率平均值從69.17%下降至59.46%;而隨著進(jìn)水NH+4-N濃度的升高,NH+4-N總體仍保持了很高的去除率,并未明顯下降,說明在此運(yùn)行條件下,BAF保持了很強(qiáng)的硝化能力;與此同時(shí),兩種進(jìn)水TN濃度下,出水COD均低于進(jìn)水,并且出水COD均處于較低的水平,約20mg/L,不僅沒有產(chǎn)生二次污染,而且進(jìn)水中自身帶入BAF的少量有機(jī)質(zhì)也被消耗。由此可見,隨著進(jìn)水TN濃度的升高,在一定的碳源投配流量比的條件下,生物脫氮效果會(huì)因反硝化過程有機(jī)碳源不足而有明顯下降,或者說,對(duì)于較高的進(jìn)水TN濃度,要使得TN去除率達(dá)到一定水平,1∶100的碳源投配流量比顯得有些不足。2.5水體氨氮去除效果在溫度為25±1℃,HRT為8h,氣水比為15∶1,回流比為2∶1,碳源與污水投配的流量比為1∶100,外加水解酸化液COD為7909.9mg/L的條件下,曝氣段與非曝氣段比例分別為4∶2和3∶3時(shí)BAF的生物脫氮效果,結(jié)果如圖5所示。圖5中的TN轉(zhuǎn)化率=(進(jìn)水TN+碳源中的TN-出水TN)/(進(jìn)水TN+碳源中的TN)。由圖5可見,各工況條件下,氨氮去除率都很高,均超過95%;進(jìn)水TN濃度平均為30mg/L左右時(shí),曝氣段與非曝氣段比例從4∶2調(diào)整為3∶3后,TN去除率與TN轉(zhuǎn)化率分別從65.47%和69.77%上升至71.32%和74.98%;調(diào)整BAF曝氣段與非曝氣段比例后,當(dāng)進(jìn)水TN濃度約45mg/L時(shí),TN去除率與TN轉(zhuǎn)化率分別為63.80%和67.23%,與沒有調(diào)整前進(jìn)水TN約為30mg/L時(shí)的情況差不多。盡管BAF中由于生物膜內(nèi)部好氧、缺氧和厭氧區(qū)域存在不同類型微生物的代謝作用使得反應(yīng)器內(nèi)的硝化與反硝化過程比較復(fù)雜,存在諸如同時(shí)硝化反硝化、短程硝化反硝化和厭氧氨氧化等生物脫氮過程,但從宏觀來看,當(dāng)BAF中曝氣段縮小,非曝氣段增大時(shí),污水在曝氣段停留時(shí)間有所減小,在非曝氣段停留時(shí)間有所增加,故以氨氮硝化過程為主的曝氣段氨氮負(fù)荷增加,而以反硝化過程為主的非曝氣段NO-x-N負(fù)荷減小,反硝化菌能充分利用外加的碳源將回流的NO-x-N還原成N2,氮去除率有所提高。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)曝氣段與非曝氣段比例從4∶2調(diào)整為3∶3后,硝化過程沒有受到明顯影響,與此同時(shí),為反硝化過程提供了更好的條件。由此說明,BAF中曝氣段與非曝氣段比例的調(diào)整一定條件下有利于生物脫氮。2.6兩種氣水比的氨氮去除效果在溫度為25±1℃,進(jìn)水TN約為45mg/L,HRT為8h,曝氣段與非曝氣段比例為3∶3,碳源與污水投配的流量比為1∶100,回流比為2∶1的條件下,研究氣水比分別為10∶1和15∶1時(shí)BAF的運(yùn)行性能,結(jié)果如圖6所示。由圖6可見,氣水比為10∶1和15∶1時(shí),氨氮去除率都很高,在98%左右,說明兩種氣水比條件下供氣量均能保證氨氮硝化順利進(jìn)行,氨氮去除效果沒有明顯差異;兩種氣水比條件下,進(jìn)水中的COD很低,為47.3～86.1mg/L,平均為64.6mg/L,進(jìn)水COD/TN也很低,平均為1.39,故進(jìn)水中可供反硝化利用的有機(jī)碳源很有限,進(jìn)水中有機(jī)物的生物氧化效果受供氣量的影響不明顯,出水COD都維持在25mg/L左右;與氣水比15∶1相比,氣水比10∶1時(shí)的TN去除率相對(duì)穩(wěn)定,在進(jìn)水TN平均為45.87mg/L時(shí),TN去除率平均為71.11%,而